ES2265586T3 - Inyector para hornos de fundicion de metal. - Google Patents
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Abstract
Inyector-quemador, que comprende un cuerpo cilíndrico (3), que define un primer eje longitudinal (6), en el que el cuerpo cilíndrico comprende un primer conducto central (8), dispuesto a lo largo de dicho primer eje (6), al menos, un segundo conducto de forma anular (10), dispuesto alrededor de dicho primer conducto central (8), un tercer conducto de forma anular (9), dispuesto alrededor de dicho segundo conducto de forma anular (8), una cabeza (2), fijada a un extremo de dicho cuerpo y dotada con, al menos, un primer agujero central (7), coaxial con el primer eje longitudinal (6), y que conecta dicho primer conducto central (8) con el exterior del cuerpo cilíndrico (3), la cabeza (2), que está dotada de segundos y terceros agujeros pasantes (5), que conectan, respectivamente, dichos segundos y terceros conductos de forma anular (9, 10, 11) con el exterior del inyector-quemador, los segundos agujeros pasantes (5), que definen segundos ejes respectivos, en el que cada segundo eje respectivoforma un primer ángulo con un plano, que pasa a través del primer eje (6) y de un punto de intersección de dicho segundo eje respectivo con una superficie externa de la cabeza (2), y en el que cada segundo eje respectivo define una proyección sobre dicho plano, que forma un segundo ángulo con dicho primer eje (6), caracterizado porque los segundos y terceros agujeros pasantes están divididos en varios grupos, los grupos están separados, recíprocamente, por sectores circulares de la superficie externa de la cabeza sin agujeros, en el que los sectores circulares tienen sus vértices sobre el primer eje (6) y sus ángulos son mayores que la distancia angular entre dos segundos agujeros pasantes adyacentes.
Description
Inyector para hornos de fundición de metal.
La siguiente invención se refiere a un inyector
de oxígeno multipropósito, con quemador incorporado (de aquí en
adelante denominado inyector-quemador), para su uso
en la metalurgia, ya sea para el calentamiento y el procesado
metalúrgico de metales, o como ayuda a otros equipos de
calentamiento y procesado metalúrgico, usados en la fundición. El
inyector-quemador puede utilizarse, adicionalmente,
aunque no de manera exclusiva, en hornos de arco eléctrico (o
EAF).
El dispositivo puede montarse en la pared, de
manera fija, sobre el nivel del baño de metal líquido. En ciertas
aplicaciones, puede desplazarse, igualmente, hacia el interior del
horno, con el fin de reducir la distancia al baño.
Se divulga, asimismo, un método para el uso de
este dispositivo en procesos de fundición en hornos de arco
eléctrico.
Se conocen muchos sistemas para la inyección de
oxígeno desde las paredes de un horno. Algunos de tales sistemas
utilizan una llama adicional para regular el calentamiento inicial y
el fundido de la carga de metal, que se activa, generalmente,
mediante el uso de gas natural como combustible, y oxígeno como
agente auxiliar de la combustión.
La desventaja de los modelos actualmente
disponibles es que los dispositivos descritos no permiten variar la
forma de la llama a voluntad, en las diversas fases del
procedimiento de fundición.
Al inicio del proceso de fundición, se necesita,
principalmente, una llama difusa y ancha, con el fin de distribuir
uniformemente una energía química grande a través de la carga
sólida. Posteriormente, se requiere un modo concentrado de llama,
adaptado para transferir calor a la carga sólida residual, por
debajo del nivel de instalación del inyector.
No se conoce, en el estado de la técnica,
ningún dispositivo de inyección que se adapte a regular la forma de
la llama entre estas dos tipologías opuestas. En particular, los
hornos de arco eléctrico, de aquí en adelante denominados EAF, en
los cuales se utilizan inyectores del estado de la técnica, adolecen
de una mala distribución del calor. El tipo de quemadores (y de
inyectores en modo quemador), usados típicamente en los hornos EAF,
producen una llama concentrada, que genera una mezcla ineficaz y
oxida la carga en las fases iniciales del proceso de fundición.
Cuando se utilizan en modo quemador, los
inyectores conocidos presentan fracciones grandes de oxígeno libre
en la llama, una característica que, combinada con el efecto térmico
fuertemente localizado de la llama sobre la carga, les convierten
en dispositivos apropiados para el corte de la carga metálica por
lanza de oxígeno, pero no para su calentamiento uniforme. La
oxidación de la carga, en las fases iniciales del proceso de
fundición, causa pérdidas graves en el balance energético global,
así como una caída en el rendimiento metálico final. Otras
desventajas de este tipo de dispositivos están causadas por la
concentración de la llama producida. El volumen de la carga
metálica calentada permanece limitado, mientras que la perforación
de la carga sobre el área del arco eléctrico es un fenómeno
observado frecuentemente, que perturba el arco eléctrico y provoca
la ascensión de los gases quemados a lo largo del electrodo, sin
pasar a través de la carga, con lo que el calor no se transfiere a
ésta de manera eficiente. Además, el anillo de la carga metálica,
situado en la base de la columna presente en el horno, se
precalienta de manera discontinua, por lo que el horno tiene que
contener un mayor número de inyectores.
Adicionalmente a estas limitaciones en modo
quemador, los inyectores, actualmente disponibles no son eficientes
en la inyección supersónica de oxígeno, de carbón y de cal.
La instalación de tales inyectores en las
paredes de los hornos EAF requiere que los chorros producidos por
el inyector sean coherentes, por lo menos en lo que respecta a la
distancia entre el inyector y el baño líquido. Esta característica
no es satisfecha por los dispositivos del estado de la técnica,
cuando la distancia de instalación al baño es superior a 750
milímetros. Por consiguiente, la inyección de oxígeno, carbón y cal
en el baño líquido y en la escoria es ineficaz, con el alargamiento
consecuente de los tiempos de refinación y la sobrecarga térmica
del volumen interno del horno y del sistema de humos, causada por
los reactivos dispersados sobre el baño.
No se conoce ningún inyector, en el estado de la
técnica, que se adapte a inyectar un combustible, tal como metano,
en la escoria y/o en el baño fundido, con el fin de obtener una
reacción de carburación del baño y, simultáneamente, generar calor
y reducir los óxidos en la escoria.
El documento de patente
GB-A-2064094 divulga una quemador,
que tiene agujeros, a través de los cuales el combustible fluido
puede descargarse dentro de una camisa, divergente hacia fuera, y
pasajes adicionales, que rodean el primer pasaje, a través del
cual un fluido atomizado se puede descargar en el combustible, según
abandona la cabeza del quemador. El documento norteamericano
US6289677 divulga un inyector de combustible para un motor de
turbina de gas, con una boquilla que incluye una disposición anular
de pasajes de aire, espaciados radialmente desde un pasaje central
del inyector de combustible. Los ejes de los pasajes se disponen
para permitir la mezcla de aire y combustible. Se incluye una
segunda disposición anular de pasajes de aire, para producir una
llama de forma circular.
La forma de la llama, producida por tales
quemadores del estado de la técnica, es circular, y no es adecuada
para incidir en una superficie desde arriba, ya que parte de la
energía se disipa por encima de la superficie. Además, no puede
expulsar el gas a velocidad supersónica.
Se ha desarrollado un inyector quemador
novedoso, en particular para su uso en el campo de la metalurgia,
de manera más precisa, para hornos de fundición, tales como hornos
de arco eléctrico. El objetivo primario de la presente invención es
solucionar las desventajas del estado de la técnica anteriormente
mencionadas, con la creación de un
inyector-quemador multipropósito, capaz de
satisfacer los requerimientos de cada fase del proceso, y de
mejorar el balance energético, la productividad y la eficiencia del
horno en el cual se utiliza.
El inyector-quemador, según la
invención, comprende un cuerpo cilíndrico, que define un primer eje
longitudinal, el cuerpo cilíndrico comprende un primer conducto
central, dispuesto a lo largo de dicho eje, por lo menos un segundo
conducto, de forma anular, dispuesto alrededor de dicho conducto
central, un tercer conducto, de forma anular, dispuesto alrededor
de dicho segundo conducto, una cabeza, fijada a un extremo de dicho
cuerpo, y dotada con, al menos, un primer agujero pasante, coaxial
con el primer eje longitudinal, y que conecta dicho primer conducto
central con el exterior del inyector-quemador, la
cabeza está provista con segundos y terceros agujeros pasantes, que
conectan, respectivamente, dichos segundos y terceros conductos de
forma anular con el exterior del inyector-quemador,
cada segundos agujeros pasantes definen los segundos ejes
respectivos, cada segundo eje respectivo forma un primer ángulo con
un plano, que pasa a través del primer eje y del punto de
intersección del eje respectivo con la superficie externa de la
cabeza y, además, cada segundo eje respectivo define una proyección
sobre dicho plano, que forma un segundo ángulo con dicho primer eje,
en donde los segundos y terceros agujeros se dividen en varios
grupos, que se separan, recíprocamente, mediante sectores circulares
de la superficie externa de la cabeza sin agujeros, en donde los
sectores circulares tienen su vértice en el primer eje, y sus
ángulos son mayores que la distancia angular entre dos segundos
agujeros adyacentes.
El primer agujero es coaxial con el cuerpo
cilíndrico. Un tercer conducto de forma anular se dispone alrededor
de dicho segundo conducto, y la cabeza está dotada de terceros
agujeros, que conectan dicho tercer conducto con el exterior. Cada
uno de dichos terceros agujeros tiene su propio eje, que forma un
primer ángulo con un plano, que pasa a través de dicho primer eje y
del punto de la intersección del eje del agujero con la superficie
externa de la cabeza (prevista como la continuación de dicha
superficie, sin considerar la presencia del primer agujero), y que
tiene una proyección en dicho plano que forma un segundo ángulo con
dicho primer eje del cuerpo cilíndrico.
Dichos primeros ángulos y segundos ángulos de
los segundos y terceros agujeros pueden estar comprendidos,
ventajosamente, en un intervalo de 5 a 60º, los primeros y segundos
ángulos de los segundos agujeros pueden ser, asimismo, diferentes a
aquellos de los terceros agujeros. Esto último es preferible, con
tal de que los ejes de los segundos y terceros agujeros, en
parejas, crucen uno sobre otro en el exterior del quemador. Para
algunas realizaciones particulares, como aquellas para llamas planas
o en abanico, los segundos ángulos pueden, asimismo, valer cero
para algunos agujeros. Al estar adaptados los agujeros para emitir
chorros de gases suministrados a los conductos del
inyector-quemador, este dispositivo permite una
buena mezcla de los gases que se originan en los segundos y
terceros agujeros, que se deben disponer, preferiblemente, en
coronas circulares concéntricas con el primer eje del cuerpo
cilíndrico. Se dividen en más grupos, espaciados por sectores
circulares de la cabeza sin agujeros. Dichos sectores se definen
entre los dos lados de un ángulo, que tiene su cúspide en el centro
de la cabeza (la intersección entre el eje del cuerpo cilíndrico y
la superficie externa de la cabeza), que es mayor que el ángulo con
su vértice en el centro de la cabeza, y que tiene por lados las
líneas rectas que pasan a través de dicho centro, y de los centros
de los dos segundos o terceros agujeros adyacentes, si están
presentes. Dos o más de tales grupos pueden estar presentes.
Ventajosamente, la orientación de los ejes de
los segundos y terceros agujeros del quemador, con respecto al eje
del quemador en sí mismo, se elige con el fin de generar llamas, y
envolventes de las llamas, divergentes, de diversas formas. La
forma se puede elegir con vistas a una distribución óptima del calor
en la capa de escoria, durante la totalidad de la etapa de fundido
de la escoria.
Una forma de la llama, particularmente
ventajosa, es aquella con una envolvente de llama plana y ancha.
Esta solución ofrece una utilización óptima del calor generado, ya
que la cavidad producida por la llama del quemador persiste durante
la mayor parte de la fase de fundido de la escoria, antes de que se
produzca una abertura en la parte situada justo por encima de la
llama. Evitar tal abertura sobre la llama es una ventaja importante,
ya que a través de esta abertura fluye parte del calor,
directamente a la atmósfera superior del horno, sin intercambio
térmico con la escoria.
Tal forma de llama es producto de una selección
apropiada de los ángulos de la inclinación de los ejes de cada
agujero, o grupo de agujeros, practicados en la cabeza del quemador.
En este caso, dos primeros grupos de agujeros, situados en la
cabeza simétricamente y opuestos entre sí, con respecto al eje
principal, tienen ejes del agujero sesgados, de tal manera que los
primeros ángulos tienen valores comprendidos entre 5º y 60º, y los
segundos ángulos tienen un valor substancialmente igual a 0º, es
decir, los ejes del agujero son coplanarios con el eje de la
cabeza, e intersecan, substancialmente, al eje del quemador.
Adicionalmente, dos segundos grupos de agujeros tienen ejes
respectivos, sesgados de tal manera que los primeros y segundos
ángulos tienen valores diferentes de 0º y, por tanto, no son
coplanarios con el eje del quemador. Las dos llamas simétricas,
expulsadas por el segundo grupo de agujeros, interaccionan entre sí
y con las llamas expulsadas por los primeros grupos de agujeros, y
producen, conjuntamente, una envolvente de la llama que corresponde
a una llama única, ancha y, aproximadamente, plana.
El primer conducto, o el primer agujero
correspondiente, puede tener una parte, en forma de boquilla
convergente o convergente-divergente, para regular
la expansión del gas que fluye por el conducto, desde la presión de
suministro a la presión de la salida. Dentro del primer conducto,
puede estar presente otro cuarto conducto, preferiblemente coaxial
con él, para suministrar los componentes sólidos o líquidos,
preferiblemente dispersados en un gas, por ejemplo, los polvos
requeridos para el proceso, que son transportados por un gas, tal
como aire u oxígeno.
La invención se refiere, asimismo, a un método
para introducir el gas en un horno de fundición de metal, en
particular, para hornos de arco eléctrico, incluyendo la
introducción de gases a un inyector-quemador, según
lo descrito anteriormente.
La invención se refiere, asimismo, a un método
para calentar y/o tratar el material metálico en un horno de
fundición, en particular, en hornos de arco eléctrico, que comprende
el suministro de un gas que contiene oxígeno, al primer conducto de
un inyector-quemador, según lo descrito
anteriormente, de un gas que contiene un combustible, por ejemplo,
metano o gas natural, al segundo conducto, y de un gas que contiene
oxígeno, al tercer conducto, si existe.
La invención se refiere, asimismo, a un método
adicional de procesar el metal en un horno de fundición, mediante
la inyección de un combustible como, por ejemplo, metano, en el baño
de fundido, igualmente, a través del primer conducto del
inyector-quemador.
Gracias a las características referentes a la
conformación de los agujeros en la cabeza, el
inyector-quemador puede producir una llama de forma
variable, según los requisitos de las diversas fases del proceso de
fundición, cuando se utiliza en modo quemador.
También es capaz de funcionar en modo de
inyección de oxígeno (incluso en régimen supersónico) y, en diversas
formas de producción, puede realizar, asimismo, la inyección de
material sólido, pulverizado o granular, tal como carbón o cal.
El dispositivo soluciona las desventajas típicas
conocidas en el estado de la técnica, pues puede trabajar en modo
quemador, durante la fase de fundido, creando una llama difusa en la
fase inicial de los procesos, y una llama concentrada, en la fase
que concluye la fusión y, posteriormente, trabajar en modo
supersónico de inyector de oxígeno, carbón o cal, en la fase de
refinación del baño líquido.
La transición entre estas fases y modos de
combustión e inyección tiene lugar, simplemente, mediante la
regulación del caudal de las diferentes boquillas del inyector.
Otra ventaja obtenida es la facilidad con la
cual el inyector-quemador de esta invención puede
sustituir a los inyectores o los quemadores conocidos en el estado
de la técnica, en los hornos de fundición habituales, con la
obtención, así, de ahorros considerables.
El inyector se compone de un cuerpo cilíndrico,
fabricado a partir tubos concéntricos, construidos de forma muy
sencilla, conectados a una cabeza cilíndrica, por ejemplo, de cobre.
Este inyector es, por tanto, compatible con las instalaciones
existentes, y puede sustituir a los inyectores del tipo conocido,
sin requerir alteraciones en los alojamientos de tales máquinas en
las paredes del horno.
Son igualmente posibles, obviamente,
configuraciones alternativas, que no difieren del espíritu de esta
invención.
En el modo de instalación fija, el
inyector-quemador se puede montar en la pared, de la
misma manera que lo son aquellos conocidos en el estado de la
técnica, o en la plataforma del EBT (vaciado excéntrico por el
fondo), es decir, el área excéntrica, típica de los hornos modernos
de fundición, en los cuales el vaciado de la masa fundida ocurre al
final del proceso.
La instalación en esta área del horno de
fundición permite realizar las actividades de calentamiento y
tratamiento de la masa líquida en un área del horno que está,
habitualmente, fría, lo que es crítico para la velocidad de las
operaciones de fundición.
Puede, asimismo, ser ventajoso que el
inyector-quemador sea móvil en relación al horno,
con el fin de ser desplazado hacia el interior durante el fundido y
refinado de la masa fundida dentro del horno.
\newpage
Características y ventajas adicionales del
descubrimiento se harán más evidentes a la vista de la descripción
detallada de una realización preferida, aunque no exclusiva, de un
quemador para un horno de fundición de arco eléctrico, tal como se
ilustra, mediante un ejemplo no limitante, con la ayuda de los
dibujos adjuntos, en los cuales:
La figura 1 ilustra una vista frontal del tipo
de inyector-quemador, de acuerdo con la
invención;
Las figuras 2, 3, 4 y 5 ilustran vistas, en
sección longitudinal, de los inyectores-quemadores,
de acuerdo con varios aspectos de la presente invención;
La figura 6 ilustra varios diagramas de
disposición de los segundos y terceros agujeros de la cabeza de un
inyector-quemador, de acuerdo con la invención,
junto con la sección, perpendicular al eje del
inyector-quemador, de la llama generada por
ellos;
La figura 7 ilustra el patrón de los caudales de
gas, suministrados al inyector-quemador descrito
aquí, en las diversas fases de un proceso de fundición de chatarra
de hierro, en un horno de arco eléctrico;
La figura 8 ilustra la curva, con la tendencia,
seguida por el porcentaje del combustible reaccionado, como función
de la distancia a la cabeza de un inyector-quemador,
conforme a esta invención, utilizado en modo quemador, en
comparación con un dispositivo del estado de la técnica;
La figura 9 ilustra un esquema tridimensional de
la evolución de la llama producida por el
inyector-quemador en, su modo de funcionamiento en
el que genera una llama ancha;
La figura 10 presenta un esquema tridimensional
de la evolución de la llama producida por el
inyector-quemador, en su modo de funcionamiento en
el que genera una llama concentrada;
La figura 11 muestra una vista esquemática de la
huella de una llama ancha plana, producida por una realización
adicional del quemador, de acuerdo con la invención;
La figura 12 muestra una vista esquemática en
perspectiva de varias huellas de la llama de figura 11, durante su
propagación.
Con referencia, en particular, a la figura 1, se
muestra la vista frontal de un inyector-quemador
para la producción de calor y para el tratamiento metalúrgico en un
horno de arco eléctrico, que comprende una cabeza 2, fabricada en
un material adecuado, generalmente cobre, y un cuerpo cilíndrico 3.
La cabeza 2 tiene una pluralidad de agujeros, dispuestos a lo largo
de circunferencias, o de arcos circunferenciales, concéntricos con
el eje de la cabeza y del quemador. El cuerpo cilíndrico 3 del
quemador 1, define un eje 6, y se constituye mediante más tubos
coaxiales, unos dentro de otros. Se muestran las direcciones 4 y 4'
de los ejes 5 y 5' de los segundos y terceros agujeros,
respectivamente. Cada eje 5 y 5' de los agujeros se inclina con
respecto al eje 6, para definir dos ángulos:
- i)
- ángulo \alpha, distinto de cero, definido como el ángulo entre la proyección del eje del agujero en un plano radial, que pasa a través del eje 6 y a través del centro del agujero, y el eje 6 del cuerpo 3;
- ii)
- ángulo \beta, definido como el ángulo en el que el eje del agujero cruza un plano radial, que pasa a través del eje 6, y a través del centro del agujero.
Como se muestra en figura 1, los ejes se
intersecan entre sí, preferiblemente en grupos de dos, se abren
hacia fuera, y tienen un componente tangencial en relación con el
eje del inyector-quemador. Al suministrar
combustible a los segundos agujeros, y agentes auxiliares de la
combustión a los terceros agujeros (o viceversa), se obtendrán
llamas, que giran alrededor del eje 6 del cuerpo cilíndrico 3,
produciendo un efecto de remolino. El primer agujero 7 es, asimismo,
visible.
La figura 2 ilustra una sección longitudinal de
un inyector-quemador, fabricado de acuerdo con una
posible realización de la invención. Muestra el primer conducto 8,
el segundo conducto 10 y el tercer conducto 9, y, también, una
camisa 11, que se suministra opcionalmente, destinada a la
circulación de un fluido refrigerante, por ejemplo, agua, definida
por varios tubos coaxiales, indicados colectivamente con la
referencia 12. Los conductos 13 y 13' se utilizan para el suministro
y la retirada de dicho fluido. Los gases se suministran a los
conductos a través de tuberías, tales como las indicadas con la
referencia 14. El primer agujero 7 es coaxial con el cuerpo
cilíndrico 3. El dibujo también muestra la porción
convergente-divergente 15, situada al final del
primer conducto 8, particularmente adecuada en el caso de un flujo
supersónico de salida del gas en el primer conducto 8. La porción
convergente-divergente está conformada,
preferiblemente, de tal manera que convierte la presión de
alimentación en presión de descarga, siguiendo una curva hiperbólica
tangente a lo largo de la porción.
El primer conducto se puede alimentar, bien con
oxígeno, o con un gas que contenga oxígeno.
En la realización mostrada en los dibujos, la
cabeza 2 presenta dos cámaras de forma anular 19 y 19', que sirven
para la distribución del gas del segundo y tercer conductos a los
segundos y terceros agujeros 5 y 5', que parten de ellos, gases que
son, generalmente, un auxiliar de la combustión y un combustible,
por ejemplo, oxígeno y metano, respectivamente (aunque es también
posible cambiar el orden de los suministros, en caso de necesidad).
Otras realizaciones son, sin embargo, posibles, por ejemplo con más
cámaras, destinadas a la distribución del combustible y del auxiliar
de la combustión, conectados con el exterior a través de una serie
de distribuciones concéntricas de agujeros, hechas en la cabeza
2.
La figura 3 ilustra una sección longitudinal de
un quemador-inyector, fabricado según una
realización alternativa de la invención. En este caso, la porción
convergente-divergente se sustituye por una simple
porción convergente 15'. Los diámetros del primer agujero 7 y del
primer conducto 8 se eligen para satisfacer las características de
las porciones 15 o 15'.
Las figuras 4 y 5 muestran una sección
longitudinal de las realizaciones, caracterizadas por la porción
convergente-divergente y por el cuarto conducto 16,
separado del primer conducto 8 por el tubo 17, en el que dicho
cuarto conducto se utiliza para la introducción de polvos o gránulos
(tales como carbón o cal) transportados, por ejemplo, mediante un
flujo adecuado de gas, y con el primer conducto recto, sin las
porciones convergente o convergente-divergente, que
se puede utilizar para inyectar polvos junto con el gas del primer
conducto. En este último caso, el primer agujero puede contener un
tubo consumible (20 en la figura 5), fabricado en acero u otro
material adecuado, destinado a proteger de las paredes del primer
conducto del dispositivo de la acción abrasiva de los polvos o de
los gránulos; de acuerdo con un aspecto de la invención, la
introducción de sólidos ocurre en un flujo de gas, cuyo flujo de
salida de la cabeza del inyector-quemador es
subsónico.
Son posibles otras combinaciones, de acuerdo con
los requisitos del proceso y de la planta.
Según se mencionó anteriormente, los segundos y
terceros agujeros (si se encuentran presentes) deberían
distribuirse, preferiblemente, en dos coronas circulares
concéntricas, según lo mostrado en figura 1. Pueden dividirse en un
número de grupos, separados por sectores circulares de la cabeza sin
agujeros. Dichos sectores se definen entre dos lados de un ángulo,
que tiene el vértice en el centro de la cabeza (la intersección
entre el eje del cuerpo cilíndrico y la superficie externa de la
cabeza), mayor que el ángulo con el vértice en el centro de la
cabeza, y como lados, las líneas rectas que pasan a través de dicho
centro y de los centros de dos segundos o terceros agujeros
adyacentes (si están presentes). Deben estar presentes dos o más
grupos para formar dos o más llamas, que flameen alrededor del eje
del inyector-quemador, obteniéndose así una buena
mezcla y distribución del calor. La dirección de los segundos y
terceros agujeros es tal que confiere a los chorros de gas una
componente de la dirección tangencial al eje del
inyector-quemador. En las figuras 6a - 6e se
ilustran diversas disposiciones posibles de los agujeros, que darán
lugar a diversos tipos de llama, en el modo de funcionamiento de
inyector-quemador, que proporciona la inyección de
combustible y de un auxiliar de la combustión a través de tales
agujeros, y que se puede elegir de acuerdo a los requerimientos. Con
una disposición y dirección de los agujeros adecuadas, se obtendrán
llamas de la forma deseada, formas que se pueden ajustar a los
requisitos del proceso. Junto a cada tipo de cabeza se muestra la
sección de la llama generada, perpendicular al eje del
inyector-quemador, a cierta distancia de él, llama
que se genera, en particular, mediante el funcionamiento en modo de
"llama difusa", según se describe a continuación.
La figura 6b ilustra un aspecto particularmente
preferido de la invención.
Los segundos y terceros agujeros pueden ser
conformados, asimismo, para formar boquillas convergentes o
convergente-divergentes, con el fin de obtener un
flujo de salida supersónico de los gases suministrados.
Una realización preferida adicional de un
quemador, de acuerdo con la presente invención, particularmente
conveniente para generar las llamas anchas y planas. En esta
realización, los agujeros 4', 4'' se agrupan en la cabeza del
quemador en uno o más primeros grupos 5 de agujeros, separados entre
sí un ángulo \gamma, mayor que el ángulo que separa dos agujeros
adyacentes. Preferiblemente, dos de estos primeros grupos 5 de
agujeros se disponen en la cabeza, simétricamente y opuestos entre
sí con respecto al eje de la cabeza 6. Los ángulos \alpha',
\alpha'' de estos agujeros 4', 4'' tienen valores comprendidos
entre 5º y 60º, y los ángulos \beta', \beta'' de los agujeros
4', 4'' tienen un valor substancialmente igual a 0º, es decir, los
ejes de los agujeros son coplanarias con el eje principal 6. Por
otra parte, los ejes de los agujeros intersecan, substancialmente,
el eje 6 del quemador. Los ángulos \alpha', \alpha'' y \beta',
\beta'' son los mismos que se definieron previamente en las otras
realizaciones, descritas con anterioridad.
De este modo, los dos primeros grupos opuestos
de los agujeros 4', 4'' son adecuados para producir dos llamas
simétricas con respecto al eje 6 y divergentes desde la punta de la
cabeza, de modo que los dos ejes de la llama intersequen el eje 6
del quemador por detrás de la cabeza. Por ejemplo cada agujero 4',
4'' del primer grupo es simétrico, respecto al eje 6, con otro
agujero 4', 4'' del segundo grupo opuesto de agujeros. En esta
realización, la cabeza 2 está dotada, asimismo, con uno o más
segundos grupos de agujeros 5, cuyos agujeros 4', 4'' se orientan
como en las otras realizaciones descritas previamente, es decir,
ambos ángulos \alpha', \alpha'', \beta', \beta'' de estos
ejes de agujeros son distintos de 0º y, por tanto, no son
coplanarios con el eje 6 de la cabeza 2. Las dos llamas simétricas
interaccionan entre sí y con las otras llamas, generadas por los
otros grupos de agujeros, y producen una envolvente de llama, que
corresponde a una llama única, ancha y, aproximadamente, plana,
según lo mostrado en los figuras 11 y 12: la figura 11 muestra,
esquemáticamente, una sección transversal de una llama plana,
obtenida con la presente realización, la figura 12 muestra varias
secciones transversales de una llama plana en propagación.
En todas las realizaciones previstas en esta
invención, el inyector-quemador se puede montar,
bien fijo en una pared, o en una mano mecánica, que permita su
movimiento en el interior del horno de fundición.
En la instalación montada de modo fijo en la
pared, el eje del inyector-quemador se puede dirigir
a voluntad, tanto en planos horizontales como verticales.
El inyector-quemador se puede
montar en cualquier pared o lanza de puerta (movida mediante mano
mecánica), conocidas en el estado de la técnica. El diseño y la
eficiencia de sus chorros son superiores lo existente en el estado
de la técnica (particularmente en lo que respecta al oxígeno
supersónico, gracias al diseño especial de la boquilla), y permiten
el uso innovador de tales lanzas, en lo referente al estado de la
técnica.
Se debe hacer notar que las lanzas conocidas en
el estado de la técnica, están forzadas a funcionar a distancias del
baño típicas de 300-350 milímetros, debido a la
escasa coherencia del chorro de oxígeno que producen. Solamente
funcionando a tales distancias cercanas, la eficiencia de
penetración de oxígeno en el baño es aceptable.
En cualquier caso, las lanzas del estado de la
técnica sufren de una fiabilidad y duración muy limitadas, debido al
hecho de que, al funcionar tan cerca del baño de fundido, se
encuentran en condiciones térmicas y físicas críticas, y se pueden
ver afectadas directamente por salpicaduras de metal fundido.
Este inyector-quemador puede
proporcionar una alta eficiencia de inyección, si se monta en el
extremo de una lanza móvil, incluso si su punto de inserción se
encuentra más alejado del baño que lo aplicado en el estado de la
técnica. Es posible obtener eficiencias de inyección iguales o
mayores que las obtenidas con las lanzas existentes, con una
distancia de operación de hasta 1-1,5 metros. En
estas distancias, la duración de la lanza es muy superior, pues es
posible trabajar más lejos del baño y, por lo tanto, sufrir una
menor tensión térmica y mecánica, y sin riesgo de salpicaduras de
metal fundido.
Esta particularidad permite, asimismo, que el
inyector-quemador sea aplicado en un modo intermedio
de instalación, entre la instalación montada de manera fija en la
pared y la instalación en una lanza con una mano mecánica, ajustada
con numerosos grados de libertad de movimiento, modos que son
típicos del estado de la técnica.
Se puede montar en la pared una mano mecánica
compacta, con un único grado de la libertad axial, lo que permite la
introducción del inyector-quemador en el horno según
su dirección axial. En esta configuración, los ángulos verticales y
horizontales de instalación del inyector-quemador no
se alteran, y sólo se varía la distancia entre el
inyector-quemador y el baño.
Este grado de libertad axial permite siempre la
máxima eficiencia en la inyección, independientemente de la posición
actual del nivel líquido, que depende de la carga de metal en el
horno, la fase de proceso y el estado del desgaste de la cuba
refractaria.
En cualquier caso, la distancia de
funcionamiento mínima al baño puede ser, incluso en este caso,
superior que la de una lanza estándar del estado de la técnica y,
por lo tanto, los problemas del desgaste
térmico-mecánico en el
inyector-quemador se reducen. Típicamente, se puede
elegir una distancia de 500 - 600 milímetros del baño.
El recorrido axial del dispositivo de
introducción, montado en la pared, (típicamente
1-1.5 metros) y, por consiguiente, las dimensiones
externas de la máquina pueden reducirse, por lo tanto, cuando el
inyector-quemador se alinea con la pared durante la
fase de carga.
A continuación se describirán algunos modos de
funcionamiento de un inyector-quemador, de acuerdo
con esta invención, caracterizados por que tienen segundos y
terceros agujeros, distribuidos en coronas circulares
concéntricas.
En el "modo quemador de llama difusa", el
auxiliar de la combustión se suministra a través de los terceros
agujeros, o corona externa de agujeros, y el combustible a través de
los segundos agujeros, o corona interna. A través del primer agujero
central fluye un caudal mínimo de aire, con el fin de mantenerlo
limpio. En este modo, la forma de la llama producida por el
inyector-quemador se regula por el efecto físico de
remolino, causado por la inclinación de los segundos y terceros
agujeros, que tiende a causar el ensanchamiento de la llama, que se
combina con el efecto producido por el grado de separación de los
flujos producidos por cada conjunto de agujeros, cuya intensidad
depende del ángulo del espaciado entre ellos.
La disposición de los segundos y terceros
agujeros en grupos separados y espaciados produce un efecto de
ensanchamiento con continuidad de la llama, y ésta no se cierre
sobre sí misma, como ocurriría con la llama de forma anular,
producida por una cabeza sin espaciamiento entre los grupos de
agujeros.
La figura 6b se refiere a una sección de la
llama difusa, producida por la realización preferida de esta
invención. El flujo resultante presenta cuatro áreas de llama. Se
obtiene un ligero efecto remolino, que otorga a los chorros una
configuración espacial helicoidal. El flujo resultante presenta
cuatro áreas de llama, que interaccionan parcialmente, dado que el
efecto de remolino, asociado a la separación reducida entre los
conjuntos de agujeros, causa una recirculación de los productos de
combustión hacia el área del eje del
inyector-quemador. De esta manera, se pueden
identificar cinco direcciones principales de fuego. La abertura de
las cuatro llamas externas es menor que la dirección geométrica de
los agujeros. En el espacio libre dejado entre los grupos de
agujeros, el gas ambiental puede fluir, atraído por la acción de los
flujos producidos por los grupos individuales de agujeros,
alimentando así la región axial del
inyector-quemador. Los flujos producidos por cada
grupo pueden, por lo tanto, expandirse espacialmente en la dirección
impuesta por la inclinación de los agujeros. La conexión
fluidodinámica entre el ambiente circundante y el área axial del
inyector-quemador previene, de hecho, la generación
de un área central deprimida, que provocaría el colapso de la
llama.
La llama gira en espacio, mientras se aleja de
la cabeza, con un aumento considerable en su eficiencia.
La figura 9 ilustra la evolución de la llama,
producida por el modelo preferido de esta invención, en el modo de
llama difusa, con las secciones 21, 22, 23 y 24 de ésta a 0,5, 1,
1,5 y 2 metros de la cabeza 2 del inyector.
En general, el efecto remolino, junto con el
hecho de que el auxiliar de la combustión y los chorros de
combustible están dirigidos de tal manera que colisionan en
parejas, causa una mezcla de los reactivos excelente, por lo que el
inyector-quemador, en modo quemador, desarrolla casi
toda su potencia a distancias más cortas de la cabeza que los
quemadores del estado de la técnica (o los inyectores en modo
quemador).
La figura 8 muestra un gráfico que permite una
comparación entre el porcentaje del combustible que ha reaccionado
con el auxiliar de la combustión, según la distancia a la cabeza a
lo largo del eje, para un inyector-quemador de
acuerdo con la invención, representado por la curva H, y para un
quemador del estado de la técnica (o un inyector en modo quemador),
para su aplicación en hornos EAF, representado por la curva L. Como
se puede observar en el gráfico, el
inyector-quemador de esta invención, utilizado en
modo quemador, agota la reacción de combustión a
200-300 milímetros de la cabeza, mientras que un
quemador convencional (o el inyector-quemador en
modo quemador) requiere más de 700 milímetros para obtener el mismo
agotamiento de la reacción de la combustión.
Este comportamiento de la llama, combinado con
la forma particular que adopta en el espacio, está en el origen de
una serie de ventajas sobre los
inyectores-quemadores del estado de la técnica, en
usos técnicos particulares, tales como la fundición de metal en
hornos EAF.
En particular, el efecto de calentamiento de la
carga de metal ocurre, además de por radiación, por convección de
los productos de la combustión, los cuales tienen una potencia de
oxidación de la carga que es varias veces inferior a la de oxígeno.
La minimización de la región de llama con auxiliar de la combustión
no reaccionado implica la minimización del efecto de oxidación, en
lo que respecta a la carga.
Por lo tanto, se consigue la oxidación mínima de
la carga, gracias a la mezcla optimizada, la ausencia de áreas
ricas en oxígeno y la baja velocidad de la llama producida. El
fundido de la carga del metal se obtiene por el calor producido por
la llama, y no por el corte con lanza de oxígeno, en presencia de un
calentamiento uniforme y evitando la oxidación de la carga del
metal, con ganancias en el balance energético global del proceso de
fundición del horno.
El volumen de la carga calentada es de 3 a 4
veces superior al de los quemadores de llama concentrada (y los
inyectores en modo quemador) del tipo conocido.
Con las realizaciones propuestas en la presente
invención, la llama producida tiene una sección frontal varias
veces superior a la de los inyectores del estado de la técnica (diez
o más veces). La inyección de la llama es más suave y está mejor
distribuida, previniendo, de este modo, la perforación de la carga
hasta el área del arco eléctrico, evitando las perturbaciones en el
arco eléctrico y previniendo la ascensión de los gases de
combustión a lo largo del electrodo, sin pasar a través de la carga
de metal.
Es posible precalentar la totalidad del anillo
de carga en la base de la columna en el horno, con la instalación de
un número reducido de unidades, sin dejar áreas de
discontinuidad.
Los gases calientes, producidos por la
combustión, ascienden dentro de la carga más lentamente y de manera
más uniforme y, por lo tanto, disponen de más tiempo para transferir
su energía a la carga del metal.
Típicamente, la potencia máxima de un quemador
del estado de la técnica (o de un inyector en modo quemador), más
allá de la cual su uso en hornos EAF se convierte en ineficiente y
causa los problemas mencionados anteriormente, es alrededor de 2 - 3
MW.
El diseño del inyector de la actual invención es
tal que produce una llama muy difusa, obtenida como la suma de un
número de llamas individuales, con diversas direcciones en espacio,
que interaccionan parcialmente. Típicamente, se pueden distinguir
entre 4 y 5 direcciones principales de llama. De esta manera, cada
inyector puede introducir en el horno una potencia de 2 a 4 veces
superior a la de los inyectores de tipo conocido, sin arriesgar la
concentración de la energía solamente en áreas puntuales, y
manteniendo, así, un precalentamiento continuo en toda la
circunferencia del horno. En modo quemador, el inyector descrito
adjunto puede alcanzar de 8 a 10 MW o más, sin las desventajas que
caracterizan los dispositivos de tipo conocido. Es posible, por lo
tanto, introducir más energía en el horno sin aumentar el número de
unidades instaladas y, por lo tanto, la complejidad de la
máquina.
En conformidad con la invención, es posible
crear quemadores que generen una llama como suma de un número de
flujos/llamas, con un grado predefinido de independencia entre
ellas, caracterizados por la separación geométrica de los conjuntos
de agujeros. La forma de la llama en espacio se regula mediante el
desarrollo y la abertura del efecto remolino de los agujeros, y por
el espaciado entre los grupos.
Una realización significativa de la invención es
aquella en la que los segundos y terceros agujeros se disponen de
manera regular a lo largo de la circunferencia, y no se agrupan. Si
se distribuyen de una manera uniforme y continua alrededor del eje
del inyector-quemador y se agrupan, a inclinaciones
iguales de los agujeros del auxiliar de la combustión y del
combustible, la presencia del efecto remolino por sí misma producirá
un ensanchamiento reducido de la llama. De hecho, en este caso, la
llama se ensancha a la salida de la cabeza, según el vector
inducido por el remolino, pero tiende a cerrarse sobre sí misma,
cerca de la cabeza. Esto ocurre porque, a cierta distancia de la
cabeza, el momento de los chorros se disipa y no es capaz de
mantener la depresión en el área axial y, como consecuencia, la
llama se cierra sobre sí misma, concentrándose de nuevo. Esta
realización produce, por lo tanto, una llama concentrada, pero
ofrece la
ventaja de mejorar la mezcla de reactivos a la salida de la cabeza, en comparación con los inyectores de tipo conocido.
ventaja de mejorar la mezcla de reactivos a la salida de la cabeza, en comparación con los inyectores de tipo conocido.
En el "modo quemador de llama concentrada",
el auxiliar de la combustión se suministra a través del primer
agujero central, y el combustible a través de la corona interna de
terceros agujeros. Un caudal mínimo del aire fluye a través de la
corona externa de segundos agujeros, con el fin de mantenerla
limpia. De esta manera, el ensanchamiento natural del flujo,
producido por la dirección espacial de la corona de agujeros de
combustible es inhibido por el momento del chorro central, que
atrae la totalidad del caudal de combustible inyectado alrededor de
sí mismo. Se produce, por lo tanto, una llama fuertemente
direccional, dirigida por el chorro axial del auxiliar de la
combustión.
La figura 10 muestra, en dos secciones axiales
25 y 25', ortogonales entre sí, la dirección de la llama, producida
por el inyector descrito adjunto, en el modo concentrado de la
llama.
El flujo del auxiliar de la combustión es
atraído por el chorro axial, pero mantiene su dirección helicoidal,
inducida por la orientación espacial de los agujeros. Este
desarrollo espiral del flujo de combustible, que envuelve el chorro
axial del auxiliar de la combustión, aumenta la eficiencia del
inyector en modo quemador de llama concentrada.
La transición del "modo quemador de llama
difusa" al "modo quemador de llama concentrada" ocurre
durante el proceso, cuando la fusión de la carga del metal alcanza
el punto en el cual el nivel de la carga cae por debajo del nivel de
instalación del inyector-quemador.
Con el "modo quemador de llama concentrada"
es posible obtener una llama fuertemente direccional, de alta
densidad y concentración de potencia, que permite fundir la carga
sólida residual y comenzar a oxidar la carga presente en el nivel
del baño líquido. La transición a este modo se hace necesaria por el
cambio en la forma de la carga dentro del horno, ya que, en esta
fase, la llama difusa causaría una dispersión fuerte del calor
directamente hacia las paredes del horno y del sistema de humos. La
llama concentrada, por otra parte, permite la transferencia de todo
el calor desarrollado por la combustión a la carga residual, que
debe ser derretida, y al baño.
La transición del "modo quemador de llama
difusa" al "modo quemador de llama concentrada" puede,
asimismo, ocurrir gradualmente, mediante la utilización del
"modo quemador híbrido". En el modo híbrido, el auxiliar de la
combustión se suministra a través de la boquilla central y de la
corona externa de agujeros, mientras que el combustible se
suministra a través de la corona interna de agujeros. De este modo,
es posible obtener todas las formas intermedias de llama entre la
llama "difusa" y la "concentrada", simplemente mediante la
variación del cociente entre el caudal del auxiliar de la
combustión, inyectado a través de la boquilla central, y el caudal
del auxiliar de la combustión inyectado por la corona externa de
agujeros. La regulación de la llama puede ocurrir, por lo tanto,
gradualmente.
En el "modo supersónico de inyección de
oxígeno", el oxígeno se suministra a través de la boquilla
central, mientras que las coronas de agujeros se alimentan con el
caudal mínimo de aire. Una vez que la carga se ha fundido
completamente y se ha transformado totalmente al estado líquido, el
baño debe refinarse, mediante la inyección de oxígeno a alta
velocidad, a gran profundidad.
Esta función se realiza mediante el
inyector-quemador, equipado con una boquilla en su
eje que permita la inyección del caudal elegido de oxígeno (de 600
a 10000 Nm^{3}/h, según el tamaño del horno de fundición y los
requisitos específicos del proceso), con una velocidad que
corresponde a Mach 2 o superior.
En este modo, el chorro de oxígeno presenta
características superiores a las del tipo conocido, especialmente
si la porción de forma convergente-divergente se
incluye en el primer conducto.
El diseño de dicha boquilla es tal que
garantiza una eficiencia de inyección superior a la del estado de la
técnica, incluso para distancias de instalación al baño
considerables (mayores de 1,5 metros).
La boquilla central
convergente-divergente se configura,
preferiblemente, con un perfil aerodinámico, con el fin de convertir
la presión total de alimentación (típicamente superior a 10 bares)
en velocidad, adaptando, así, a la presión de descarga, que sigue
una ley hiperbólica tangente tal como:
f(x) =
a\cdot th(c-b\cdot x) +
d
en la
que:
a =
\frac{P_{0} - P_{s}}{2}; \ b = \forall; \ d = \frac{P_{0} +
P_{s}}{2}; \ c =
ath(\frac{1-d}{a})
th =
\frac{e^{k} - e^{-k}}{e^{k} + e^{-k}}; ath(\gamma) =
th^{-1}(\gamma)
donde p_{0} es la presión de
alimentación, p_{s} es la presión de descarga, x es la longitud
recorrida por el gas en la porción de la boquilla, b representa un
factor arbitrario que determina el grado de estiraje del perfil
alrededor de la sección de garganta, y que puede tomar cualquier
valor (generalmente entre 1 y 3), y f(x) es una función a la
cual permanece proporcional la presión en las diversas secciones de
la
boquilla.
Este tipo de perfil garantiza la expansión
perfecta del oxígeno dentro de la boquilla, hasta que alcanza la
condición de salida. En la sección de salida todas las cantidades
termodinámicas y el perfil de velocidad son extremadamente
uniformes, garantizando, así, la máxima eficiencia del chorro
supersónico, en términos de la coherencia del chorro. Como
consecuencia, el chorro de oxígeno supersónico puede penetrar
profundamente en el baño líquido, incluso si el inyector está
instalado en la pared del horno, a una distancia superior a 1,5
metros del baño. La región coherente (en la cual no disminuye la
velocidad de los gases a lo largo del eje del chorro, que coincide
con el del inyector-quemador, esto es, permanece
igual, por lo menos, para el 99% del gas en la superficie de la
cabeza del inyector-quemador) del chorro producido
por este tipo de boquilla convergente-divergente
es, típicamente, 2-3 veces más larga que la de los
inyectores del estado de la técnica. El inyector de esta invención
puede producir chorros de oxígeno, perfectamente coherentes, hasta
distancias de 2-2,5 metros.
Esta particularidad permite la inyección
eficiente de oxígeno profundamente en el baño, lo que conduce a una
aceleración del proceso de refinado. Por otra parte, gracias a su
coherencia, el momento transmitido al baño líquido alcanza un
máximo, a la vez que lo hacen la agitación y la mezcla del baño
líquido.
Cuando el inyector se orienta de tal manera que
produce un chorro que no es ortogonal al baño (en el plano
vertical), y/o no se dirige hacia el eje del horno (en el plano
horizontal), se produce un fuerte efecto de agitación del baño en
los planos vertical y/o horizontal. Este efecto otorga al líquido
una gran uniformidad química y térmica, con ventajas obvias en lo
que respecta a la calidad del producto y a la velocidad de la
refinación.
Durante la inyección de oxígeno supersónico
desde la boquilla central, las dos coronas de los segundos y
terceros agujeros se alimentan con una cantidad mínima de aire, con
el fin de mantener los agujeros limpios. Este flujo de aire
envuelve el chorro de oxígeno de una manera espiral, y es atraído
hacia él por el efecto Venturi, exactamente de la misma manera en
que sucede en el modo quemador de llama concentrada. La presencia de
este flujo espiral del aire alrededor del chorro de oxígeno no daña
la coherencia del chorro, de hecho, la mejora levemente, dado que
el cociente de cizallamiento cae en relación al ambiente y, por
tanto, la disipación de la energía cinética del chorro debido a la
fricción viscosa.
Es posible adoptar, asimismo, un "modo híbrido
de inyección de oxígeno supersónico", en cual, además de la
inyección de oxígeno supersónico desde la boquilla central, la
función de quemador se mantiene en las coronas de agujeros, o
solamente se inyecta metano por la corona interna de agujeros. La
llama producida por el combustible y el auxiliar de la combustión
(inyectado por la corona interna de agujeros y la corona externa de
agujeros, en el primer caso, y por la corona interna de agujeros y
la boquilla central, en el segundo, respectivamente), es atraída
por el efecto Venturi hacia el chorro supersónico de oxígeno, y lo
envuelve en espiral. La presencia de esta llama helicoidal
alrededor del chorro de oxígeno incrementa, adicionalmente, la
coherencia del chorro, dado que, además de reducir la disipación
viscosa, produce un fluido amortiguador de alta temperatura
alrededor del chorro. Gracias a su alta temperatura, los gases
quemados tienen una baja densidad y pueden ser, por lo tanto,
arrastrados fácilmente por el chorro de oxígeno, sin reducir
perceptiblemente su energía cinética.
La presencia de esta llama espiral que envuelva
el chorro de oxígeno permite alcanzar longitudes de chorro coherente
superiores a las de las aplicaciones de la técnica conocida, en la
cuales los chorros de oxígeno son protegidos por una llama
puramente axial de forma anular, desprovista de componentes
circunferenciales.
Cuando el caudal de combustible, tal como
metano, inyectado alrededor de oxígeno supersónico, es tal que la
combustión no se agota a lo largo del chorro libre, una cantidad de
combustible no reaccionado alcanza la escoria y el baño fundido. En
tales condiciones, se puede inyectar aire u oxígeno, a través de la
corona externa de agujeros, con el fin de realizar una reacción de
post-combustión, que se describirá en detalle a
continuación. El efecto de oxidación, inducido por el oxígeno
supersónico en el área del impacto sobre el baño, causa altas
temperaturas locales del metal fundido (> 1800ºC). A tales
temperaturas, el combustible que llega al baño produce la reacción
de craqueo (por ejemplo, si el combustible es metano):
CH_{4} +
energ\text{í}a \rightarrow
C+2H_{2}
\newpage
y, por lo tanto, se separa en
carbón e hidrógeno. La reacción es endotérmica y, por lo tanto, se
produce el enfriado del área, para evitar temperaturas
excesivamente altas del metal fundido (y, por lo tanto, la
evaporación del metal, con la caída consecuente en la eficiencia
del horno), y se favorece la formación de espuma en la escoria. El
carbón carbura el baño líquido, mientras que el hidrógeno reduce los
óxidos presentes sobre el nivel del baño y en la escoria. Esta
reacción de reducción también interesa al óxido de metal, presente a
nivel del baño, y permite un aumento en el rendimiento del proceso
de fundición, mediante la recuperación del metal que se perdería,
de otra manera, en la escoria. La parte del hidrógeno que no puede
encontrar óxidos para reducir, se quema con la parte de oxígeno
inyectado que no penetra en el baño, o con el aire (o el oxígeno)
inyectado junto con el chorro a través de la corona externa de
agujeros del inyector. Esta reacción del hidrógeno de
post-combustión:
2H_{2} + O_{2}
\rightarrow 2H_{2}O \ + \
energ\text{í}a
libera energía y una gran cantidad
de gas (vapor de agua), que asciende a través de la escoria y
ocasiona la espuma. La misma reacción de reducción de óxidos, en
parte llevada a cabo por el hidrógeno, ocasiona la producción de
una cantidad grande de vapor de agua. La formación de espuma en la
escoria es muy eficiente y se une a la producida por la subida del
CO, causado por la descarburación del baño. Globalmente, se observa
un rápido rehinchado de la escoria, que tiene efectos beneficiosos
en el equilibrio térmico del proceso y en la eficiencia del arco
eléctrico.
La post-combustión del hidrógeno
puede ocurrir, asimismo, sobre la escoria, si el flujo de aire o de
oxígeno, producido por la corona externa de agujeros del inyector,
se reduce de tal manera que no penetra en la escoria.
El modo de funcionamiento descrito arriba se
puede describir como "modo híbrido de inyección de
oxígeno-carburación-reducción y
post-combustión". Esta fase se aplica en
condiciones de baño plano.
El mismo inyector-quemador se
puede utilizar, asimismo, de manera extremadamente eficiente, en el
"modo de carburación pura". Esto ocurre cuando el combustible
se inyecta a través de la boquilla central
convergente-divergente. En este caso, si el caudal
de combustible es suficientemente alto (dependiendo del tamaño de la
boquilla, y típicamente superior a 100 Nm^{3}/h), el chorro de
combustible es muy compacto, tiene un momento elevado y puede,
incluso, alcanzar el régimen supersónico. La penetración del
combustible en el baño es, por lo tanto, muy eficiente. En este
caso, igualmente, se obtiene la reacción de craqueo del combustible
en carbón e hidrógeno. El carbón carbura profundamente dentro del
baño, mientras que el hidrógeno reduce los óxidos presentes en el
nivel del líquido del baño y en la escoria, y vuelve,
posteriormente, hacia arriba a través de la escoria, donde, o sobre
la cual, puede ocurrir una post-combustión, con un
flujo de aire (u oxígeno) que envuelve el chorro axial de
combustible y se produce por una o ambas coronas de agujeros del
inyector. Esta fase se aplica, igualmente, en condiciones de baño
plano. El régimen de la inyección del gas que contiene combustible
puede ser subsónico o supersónico, de acuerdo con los requisitos y
la conformación del primer conducto.
Las realizaciones de la presente invención,
descritas e ilustradas previamente en las figuras. 2, 3, 4 y 5,
contienen los modos de "quemador de llama difusa", "quemador
de llama concentrada", "quemador híbrido", "modo híbrido
de inyección de
oxígeno-carburación-reducción y
post-combustión" y "modo de carburación
pura", según lo descrito anteriormente.
Más particularmente, las realizaciones
ilustradas en las figuras 4 y 5 permiten la inyección de material
sólido en polvos o gránulos (tales como carbón y cal), mediante una
boquilla en el eje, dedicada a la inyección de tales materiales
durante la fase de refinación. En particular, la realización
ilustrada en la figura 4 permite la inyección simultánea de gas
(tal como oxígeno), en un régimen supersónico, y del material en
polvo o gránulos (tales como carbón o cal), ya que lleva una
boquilla convergente-divergente en su eje para el
oxígeno, con un inserto dentro del tubo para la inyección del
material sólido.
En cualquier caso, la boquilla central se puede
utilizar, asimismo, para inyectar un gas que contenga oxígeno, con
el fin de realizar la post-combustión del monóxido
de carbono, liberado del baño líquido durante la fase de
refinación.
Hablando de manera general, para todas las
realizaciones del inyector-quemador, proporcionadas
por esta invención, y para todos los modos de funcionamiento, no
hay límite a las relaciones estequiométricas, entre el combustible y
el auxiliar de la combustión, que se pueden utilizar.
La invención se refiere, asimismo, a un proceso
de calentamiento, fundido y tratamiento metalúrgico de material
metálico en un horno de fundición, en particular, en hornos de arco
eléctrico, que incluye el suministro de un gas que contiene oxígeno
al primer conducto de un inyector-quemador, según lo
descrito arriba, de un gas que contiene un combustible, tal como
metano o gas natural, al segundo conducto, y de un gas que contiene
oxígeno al tercer conducto, si éste existe. Esta invención también
contempla métodos para introducir gas en un horno de fundición, con
diversos modos de alimentación del gas, como será descrito abajo,
tanto para el calentamiento del material metálico, como para su
descarburación o carburación.
Según lo demostrado, el dispositivo resuelve los
problemas típicos del estado de la técnica, con la posibilidad para
trabajar en modo quemador durante la fase de fundido, mediante la
creación de una llama muy difusa, en la fase inicial del proceso, y
de una llama concentrada, en la fase de conclusión de la fusión, y
trabajar, posteriormente, en modo supersónico de inyección de
oxígeno o de carbón o cal, durante la refinación del baño
líquido.
La transición entre estas diversas fases y modos
de inyección y de combustión ocurre, simplemente, mediante la
regulación de las capacidades de la diversas boquillas del
inyector.
Como ejemplo, daremos ahora un posible programa
de un proceso de fundición de desecho de hierro en un horno de arco
eléctrico, mediante el uso de un inyector-quemador
con un tercer conducto, según lo descrito arriba, de acuerdo con la
actual invención.
La figura 7 ilustra los perfiles de caudal del
combustible y del auxiliar de la combustión en las diversas fases
de la operación. Los perfiles sirven solamente como ejemplos, y
tienen un valor relativo. En general, no es posible dar valores
absolutos del caudal y del tiempo, pues dependen del tamaño del
horno, de la potencia del arco eléctrico instalado y del número de
cargas que se harán (cubas sencillas o múltiples). Sin embargo, la
lógica de uso del inyector-quemador no cambia.
Paso
1
El quemador se enciende unas cuantas décimas de
segundo después que el arco eléctrico, con el fin de asegurarse de
que las condiciones de la inflamabilidad de la mezcla de combustible
y de auxiliar de la combustión se han alcanzado. El caudal de
combustible en el segundo conducto se fija inicialmente en el
30-50% de la potencia nominal, y se mantiene un
cociente de combustión levemente reductor, con el oxígeno,
suministrado a través del tercer conducto (en el caso, se adoptan
razones de O_{2}/CH_{4} de aproximadamente 1,6:1,8, es decir
20-40% inferior al cociente estequiométrico).
Esto es así con el fin de obtener una llama que
sea adecuada para el calentamiento, pero que no sea agresiva para
el equipo, con el fin de evitar daños a los paneles refrigerados, no
refrigerados y refractarios, y al dispositivo en sí mismo. Después
de trabajar de esta manera durante 30'', aproximadamente, los
caudales de gas del quemador y, por lo tanto, su potencia, se
pueden aumentar hasta el 80% del valor nominal y se utiliza un
cociente casi estequiométrico (en el caso del O_{2}/CH_{4}, se
adoptan cocientes de 1,9-2,0, aproximadamente).
Durante este tiempo, el conducto central, provisto de una boquilla
convergente-divergente, se alimenta con aire
comprimido u oxígeno. El caudal está calibrado así, de modo que la
velocidad de salida del gas sea, al menos, 80-120
m/s, y la presión sea de 0,4-0,8 bares. En el caso,
por ejemplo, de una boquilla nominal de 300 Nm^{3}/h, se pueden
introducir 300-350 Nm^{3}/h. El objetivo primario
de tal flujo es evitar las obstrucciones causadas por las
salpicaduras de acero. Sin embargo, en este caso, se obtiene,
asimismo, una energía de valencia por la cooperación de oxígeno
contenido en el gas que fluye con la llama, mejorando así,
adicionalmente, la eficiencia de la combustión;
Paso
2
Una vez que se ha encendido el quemador y se ha
calentado el desecho a una temperatura de 500-600ºC,
es posible alcanzar rápidamente la potencia plena de llama en
cociente estequiométrico. Se debe observar un ligero retraso en el
aumento de potencia cuando se utiliza una carga muy pesada o muy
compacta (en otras palabras, pedazos muy grandes o aquellos con
pastillas de densidad muy alta). Es posible aplicar una fuerza de
llama 2-4 veces la usada habitualmente en usos
convencionales. Las llamas individuales, que constituyen el efecto
global del quemador, se distribuyen sobre una mayor área del
desecho gracias, asimismo, a la variación en la forma, causada por
la variación en el caudal, según lo descrito arriba, de una manera
tal que el flujo térmico específico permanece sin cambios,
comparado con los usos convencionales, aunque se aplique una
potencia térmica total mucho más alta. La alta eficiencia de la
combustión y la mezcla rápida del combustible y del auxiliar de la
combustión limita las propiedades de oxidación de la llama. La
disminución y la fusión de la carga, en el caso en que ésta sea
particularmente pesada y compacta, puede ayudarse mediante la
variación del cociente de combustión.
Paso
3
La temperatura del desecho aumenta rápidamente
con la llama, y el desecho desciende gradualmente al nivel del
baño, lo que reduce así, exponencialmente, la eficiencia de la llama
difusa, en términos de la transmisión del calor por radiación
directa y convección superficial.
Por lo tanto, se realiza una transición
progresiva de la llama difusa a la llama concentrada, mediante el
inicio de la transferencia de una parte del caudal de oxígeno desde
la corona externa de agujeros al inyector central.
Por otra parte, mediante el aumento del cociente
de combustión, el aumento progresivo de oxígeno libre puede
permitir una fusión más rápido del desecho, incluso. Sin embargo, en
este caso el carbón debe inyectarse, asimismo, localmente; el óxido
de hierro, producido durante esta fase, gotea y se recoge en la cuba
colocada debajo del inyector. La velocidad a la cual se produce
óxido del hierro aumenta rápidamente en esta fase, lo que requiere,
consecuentemente, la adición de carbón y de cal, con el fin de
proteger el material refractario contra la erosión química, y para
moderar la reacción de oxidación del hierro.
Paso
4
Una vez que la carga ha sido fundida por las
paredes y alcanza el nivel del baño líquido, se debe completar el
cambio al modo quemador de llama concentrada. El objetivo
subsiguiente es fundir la cantidad de desecho que se encuentre a
una distancia desde la cabeza del inyector, hacia el centro del
horno. Es muy peligroso incidir en el desecho con un chorro de
oxígeno rápido y concentrado, pues esto crearía salpicaduras de
óxido de hierro, o bien el chorro de oxígeno podría ser reflejado
hacia atrás, en dirección a los paneles refractarios. No es
posible, por lo tanto, en esta fase utilizar una inyección de
oxígeno supersónico para cortar el desecho residual, presente en el
nivel del baño, mediante lanza de oxígeno. Sin embargo, esta fase
requiere una llama larga y concentrada, que no tenga un momento
excesivo. En el modo quemador de llama concentrada, el
inyector-quemador de la presente invención
satisface este requisito y tiene una acción térmica y química muy
direccional, que es capaz de transferir calor a la carga presente,
por debajo de su nivel de instalación. Mediante el ajuste del
cociente estequiométrico es posible, asimismo, ejercer una acción
oxidante sobre la carga residual, con el fin de acelerar la fusión
completa.
Mientras el inyector se encuentra en uso en modo
de llama concentrada, tiene lugar la primera descarburación y las
reacciones de oxidación. Tanto el flujo de oxígeno saliente desde la
boquilla central como el flujo de aire u oxígeno, permiten la
post-combustión del CO que se ha formado. La
transición de este paso del procedimiento es crucial para preparar
el último paso eficientemente.
Paso
5
El último paso tiene como objetivo acelerar
todas las reacciones de oxidación del baño de acero líquido y, en
particular, la reacción de descarburación. En este caso, se aplica
desde el inyector convergente-divergente central el
caudal nominal. Durante esta fase, el parámetro más importante que
se supervisará es la eficiencia del chorro, ya que es necesario
obtener una alta velocidad de reacción, la mezcla por transporte
masivo, concentraciones bajas de oxígeno en la escoria y una
descarburación alta dentro del baño, con el fin de obtener los
mejores resultados de funcionamiento posibles.
Durante la fase de la refinación, la inyección
de oxígeno supersónico puede ir acompañada por la inyección de
metano a través de la corona interna de agujeros, dado que el efecto
de la rotación en este último alrededor del chorro de oxígeno y de
su combustión con el oxígeno inyectado desde la boquilla central o,
incluso, desde la corona externa de agujeros, promueve la
coherencia y la acción de penetración del chorro supersónico en el
baño.
La inyección de un caudal superior de metano se
puede utilizar, asimismo, para obtener un efecto de carburación y de
reducción, de acuerdo con el "modo híbrido de inyección de
oxígeno-carburación-reducción y
post-combustión", descrito arriba.
En algunos casos, la inyección de oxígeno a
través de la boquilla central se puede sustituir, para intervalos
cortos, por la inyección del metano a través de la boquilla central,
después del "modo de carburación pura". Esta práctica hace
posible la descarburación del baño y la recuperación del rendimiento
metálico, gracias al efecto reductor local de los productos en los
cuales se craquea el metano.
La figura 7 ilustra esquemáticamente la serie de
modos de funcionamiento del inyector a lo largo del proceso de
fundición. Se inyecta un caudal de oxígeno #1 por la boquilla
convergente-divergente central, mientras se inyecta
un caudal de oxígeno #2 por la corona externa de agujeros. El caudal
de metano se refiere a la corona interna de agujeros.
Se pueden reconocer los dos modos de llama,
difuso y concentrado, utilizados uno después del otro, y separados
por una fase híbrida, en la cual se crea una llama de forma
intermedia. Al final del proceso, se realiza una inyección
supersónica de oxígeno para la descarburación del baño. Esta fase se
puede dividir en dos modos separados: el primero, con una inyección
de metano alrededor del chorro de oxígeno (con el fin de aumentar
la coherencia del chorro e, incluso, dar un efecto de carburación
superficial al baño), el segundo, con la inyección de oxígeno
supersónico solamente.
Los perfiles dados son absolutamente generales y
se pueden aplicar, en principio, a cualquier tipo de carga del
horno (de cuba simple o múltiple) y se refieren a un inyector, que
utiliza metano y oxígeno como combustible y auxiliar de la
combustión, respectivamente.
Claims (27)
1. Inyector-quemador, que
comprende un cuerpo cilíndrico (3), que define un primer eje
longitudinal (6), en el que el cuerpo cilíndrico comprende
un primer conducto central (8), dispuesto a lo
largo de dicho primer eje (6),
al menos, un segundo conducto de forma anular
(10), dispuesto alrededor de dicho primer conducto central (8),
un tercer conducto de forma anular (9),
dispuesto alrededor de dicho segundo conducto de forma anular
(8),
una cabeza (2), fijada a un extremo de dicho
cuerpo y dotada con, al menos, un primer agujero central (7),
coaxial con el primer eje longitudinal (6), y que conecta dicho
primer conducto central (8) con el exterior del cuerpo cilíndrico
(3),
la cabeza (2), que está dotada de segundos y
terceros agujeros pasantes (5), que conectan, respectivamente,
dichos segundos y terceros conductos de forma anular (9, 10, 11) con
el exterior del inyector-quemador,
los segundos agujeros pasantes (5), que definen
segundos ejes respectivos,
en el que cada segundo eje respectivo forma un
primer ángulo con un plano, que pasa a través del primer eje (6) y
de un punto de intersección de dicho segundo eje respectivo con una
superficie externa de la cabeza (2), y en el que cada segundo eje
respectivo define una proyección sobre dicho plano, que forma un
segundo ángulo con dicho primer eje (6),
caracterizado porque los segundos y
terceros agujeros pasantes están divididos en varios grupos, los
grupos están separados, recíprocamente, por sectores circulares de
la superficie externa de la cabeza sin agujeros, en el que los
sectores circulares tienen sus vértices sobre el primer eje (6) y
sus ángulos son mayores que la distancia angular entre dos segundos
agujeros pasantes adyacentes.
2. Inyector-quemador, de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que cada uno de dichos
terceros agujeros pasantes define terceros ejes respectivos, que
forman un primer ángulo con un plano que pasa a través de dicho
primer eje (6) y del punto de intersección de dicho tercer eje
respectivo con la superficie externa de la cabeza (2), y que tiene
una proyección en dicho plano que forma un segundo ángulo con dicho
primer eje (6).
3. Inyector-quemador, de
acuerdo con la reivindicación 2, en el que uno o varios de dichos
grupos de segundos y terceros agujeros pasantes (5) comprenden
agujeros, cuyos ejes tienen primeros ángulos, con un valor distinto
a 0º, y segundos ángulos, con un valor de 0º.
4. Inyector-quemador, de
acuerdo con la reivindicación 3, en el que dichos varios grupos de
segundos y terceros agujeros pasantes (5) se sitúan en la cabeza
del quemador, simétricamente y dirigidos en direcciones divergentes
respectivas con respecto al primer eje (6), para que dichos varios
grupos de segundos y terceros agujeros pasantes (5) sean capaces de
producir llamas respectivas, en direcciones divergentes y
substancialmente simétricas con respecto a dicho primer eje (6).
5. Inyector-quemador, de acuerdo
con la reivindicación 2, en el que dichos primeros y segundos
ángulos, de los respectivos ejes de los segundos y terceros
agujeros pasantes, tienen un valor comprendido entre 5 y 60º.
6. Inyector-quemador, de acuerdo
con la reivindicación 5, en el que los segundos y terceros ejes
respectivos se cruzan entre sí, en parejas, fuera del
inyector-quemador.
7. Inyector-quemador, de acuerdo
con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos
segundos y terceros agujeros se distribuyen en dos coronas
circulares, concéntricas con el primer eje (6) del cuerpo
cilíndrico.
8. Inyector-quemador, de acuerdo
con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho
primer conducto central (8), o el correspondiente primer agujero
central (7), comprende una porción, que tiene forma de una boquilla
convergente o convergente-divergente (15, 15').
9. Inyector-quemador, de
acuerdo con la reivindicación 8, en el que se proporciona una salida
de gas supersónico desde la boquilla, con una variación en la
presión de gas a lo largo de la longitud de la boquilla (15, 15'),
según una función hiperbólica tangente.
10. Inyector-quemador, de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que
se proporciona un cuarto conducto (16), dentro del primer conducto
central (8), y substancialmente coaxial con él, para la alimentación
de componentes sólidos o líquidos, dispersos en un gas.
\newpage
11. Inyector-quemador, de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que
los segundos y/o terceros agujeros pasantes se conforman como una
boquilla convergente o convergente-divergente.
12. Inyector-quemador, de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que
dicho inyector-quemador se monta en una lanza,
equipada con un brazo mecánico.
13. Un método para introducir uno o más gases en
un horno de fundición de metales, en el que dichos gases se
introducen en el metal mediante un
inyector-quemador, de acuerdo cualquiera de las
reivindicaciones anteriores.
14. El método, de acuerdo con la reivindicación
13, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene
oxígeno al primer conducto de dicho
inyector-quemador, y un gas que contiene combustible
al segundo o tercer conducto, para generar una llama a la salida del
inyector-quemador.
15. El método, de acuerdo con la reivindicación
14, que comprende el paso de expulsar un gas que contiene oxígeno
desde el primer agujero de dicho inyector-quemador a
velocidad supersónica.
16. El método, de acuerdo con la reivindicación
15, que comprende el paso de conseguir que parte de dicho
combustible alcance, sin arder, un fundido dentro del horno.
17. El método, de acuerdo con la reivindicación
13, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene
oxígeno al tercer conducto de dicho
inyector-quemador.
18. El método, de acuerdo con la reivindicación
15, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene
combustible al segundo conducto de dicho
inyector-quemador.
19. El método, de acuerdo con la reivindicación
13, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene un
combustible al tercer conducto, y un gas que contiene oxígeno a un
segundo conducto.
20. El método, de acuerdo con la reivindicación
13, que comprende el paso de suministrar un gas que contiene
oxígeno desde el primer conducto del
inyector-quemador.
21. El método, de acuerdo con la reivindicación
20, que comprende el paso de expulsar el gas desde primer agujero
del inyector-quemador, a velocidad supersónica.
22. El método, de acuerdo con la reivindicación
21, que comprende el paso de producir una longitud coherente de un
chorro de gas, desde dicho primer agujero, mayor que la distancia de
la cabeza del inyector-quemador a la superficie de
un fundido contenido en el horno.
23. El método, de acuerdo con la reivindicación
13, que comprende el paso de introducir un sólido, en forma de
polvo o de gránulos, a través del primer conducto de
inyector-quemador.
24. El método, de acuerdo con la reivindicación
23, que comprende el paso de introducir el sólido junto con una
corriente de gas, que sale del primer agujero del
inyector-quemador a velocidad subsónica.
25. El método, de acuerdo con la reivindicación
13, que comprende el paso de introducir un sólido, en forma de polvo
o de gránulos, a través del cuarto conducto.
26. El método, de acuerdo con las
reivindicaciones 13 o 17, que comprende el paso de suministrar un
gas que contiene combustible al primer conducto de dicho
inyector-quemador, en régimen subsónico o
supersónico.
27. El método, de acuerdo con la reivindicación
26, que comprende el paso de conseguir que parte de dicho
combustible alcance, sin arder, un fundido dentro del horno.
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